傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)房屋的抗震方法
整座木塔表示出結(jié)構(gòu)、技術(shù)與藝術(shù)形象的高度和諧,表里如一,這是中國古代木結(jié)構(gòu)建筑,也是中華民族的激進美德”之一。近千年前我祖先就能建造出如此莊嚴美麗而堅固耐久的建筑,充分顯示出當時的匠人對數(shù)學、力學、資料學、結(jié)構(gòu)學的研究已經(jīng)相當深入,而且對地震的破壞機理已有了相當?shù)慕?,抗震?jīng)驗已積累到很高的水平,既令人驚奇,也令人自豪。
中國保守木結(jié)構(gòu)建筑抗震防震的方法
與西方磚石結(jié)構(gòu)建筑的以剛克剛”不同,中國保守的木結(jié)構(gòu)建筑在抵抗地震沖擊力時,采用的以柔克剛”思維,通過種種巧妙的措施,其目標是以最小的代價,將強大的自然破壞力消彌至最小程度。國許多古代建筑都勝利地經(jīng)受過大地震的考驗,如天津薊縣獨樂寺觀音閣、山西應縣木塔等建筑,千百年來均經(jīng)歷過多次地震仍然傲然屹立。當代建筑設(shè)計以抵御9度地震為目標,而我國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑基本上能達到這個要求,而且其代價遠遠小于西方的剛”不能不讓人嘆服“柔”力量。
柔性的框架結(jié)構(gòu):墻倒屋不塌
中華民族不但自文明伊始就睿智地選擇了木材等有機資料作為結(jié)構(gòu)主材,而且發(fā)展形成了世界上歷史最悠久、繼續(xù)時間最長、技術(shù)幼稚度最高的結(jié)構(gòu)體系—柔性的框架體系。國木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,若僅從浙江余姚河姆渡遺址算起,迄今至少已有近7000年的歷史。作為對比,西方數(shù)千年中一直采用承重墻體系,直到工業(yè)革命以來、近現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展之后,才意識到框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,遂開始大規(guī)模地普及,更值得玩味的這種框架體系仍然是以剛克剛”而中國的保守木結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu)的種種優(yōu)越性,如“墻倒屋不塌”功效,但其柔性的連接,又使得它具有相當?shù)膹椥院鸵欢ǔ潭鹊淖晕一謴湍芰?。這次汶川大地震中,許多文物建筑的墻體均不同水平地受損,但主體結(jié)構(gòu)仍未倒塌,就是這種柔性框架結(jié)構(gòu)抗震能力的表示。
整體浮筏式基礎(chǔ)、斗栱、榫卯:抗擊地震的關(guān)鍵
國古代很少建造平面復雜的建筑,主要采用長寬比小于2:1矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。激進建筑往往是中間的一間(當心間)最大,兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬,這樣的設(shè)計非常有利于抵抗地震的扭矩。
中國古代建筑一般由臺基、梁架、屋頂構(gòu)成,高等級的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個斗栱層。中國古代建筑的臺基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語言描述,堪稱“整體浮筏式基礎(chǔ)”好比是一艘大船載著建筑漂浮在地震形成的驚濤駭浪”中,能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞,減少地震波對上部建筑的沖擊。中國激進建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造,構(gòu)架的垂直方向上,形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀,實踐證明這種構(gòu)造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國古代激進建筑最突出的形象特征之一,而且對提高建筑的抗震能力也做出過相當?shù)呢暙I。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件,大大增加了屋頂乃至整個構(gòu)架的整體性;龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上,也提高了構(gòu)架的穩(wěn)定性。
斗栱是中國古代建筑抗震的又一位重要戰(zhàn)士,地震時它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。歷史上,很多帶斗栱的建筑都能抵御強烈地震,比如山西大同的華嚴寺,沒有斗栱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下,帶斗栱的主要殿堂仍能幸存,充分說明了斗栱對抗震的貢獻。斗栱但能起到減震器”作用,而且被各種水平構(gòu)件連接起來的斗栱群能夠形成一個整體性很強的剛盤”依照“能者多勞”原則把地震力傳送給有抗震能力的柱子,大大提高了整個結(jié)構(gòu)的平安性。
除了這些較顯著的手法外,中國古代激進建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施,這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用:榫卯是極為精巧的發(fā)明,祖先早在7000年前就開始使用,這種不用釘子的構(gòu)件連接方式,使得中國保守的木結(jié)構(gòu)成為逾越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體,不但可以接受較大的荷載,而且允許發(fā)生一定的變形,地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量,減小結(jié)構(gòu)的地震響應。又比如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心,并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜,增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接,使柱架層形成一個閉合的構(gòu)架系統(tǒng),用現(xiàn)代術(shù)語來說,就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱頭、柱腳的移動,增強了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強化了聯(lián)系,顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性;柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)頂面之間的摩擦,進而有效地產(chǎn)生隔震作用;高大的樓閣中,如獨樂寺觀音閣、應縣木塔等,都在暗層中設(shè)有斜撐,大大強化了構(gòu)架對水平?jīng)_擊波反復作用的抵抗能力;外檐柱間設(shè)置較厚的墻體,起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”作用諸如此類,舉不勝舉,大到建筑群體的布局處置,小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計,處處都展示出古代工匠們抗震設(shè)計方面的知識和匠心。
應縣木塔:中國古代建筑抗震能力的杰出代表
山西應縣佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)中國古代激進建筑杰出抗震能力的集中代表。這座木塔是當今世界現(xiàn)存最高的木結(jié)構(gòu)建筑,竣工于1056年,處于大同盆地地震帶上。木塔建成200多年即遭受大震,余震連續(xù)7天,木塔附近的房屋全部倒塌,而木塔巋然不動;爾后的近千年中,木塔經(jīng)歷了多次大地震的考驗而安然無恙。戰(zhàn)亂之際,木塔還承受過200余發(fā)炮彈的轟擊,亦無大損。木塔之所以有如此杰出的抗震能力,于前述諸多抗震技法的綜合和提高:木塔平面是規(guī)則的正八角形,利于抵抗地震波產(chǎn)生的扭曲力;木塔高達4.4米的磚石基座堅實、穩(wěn)定,形成一個“浮筏”承載著全塔的重量(約1300噸)木塔內(nèi)梁與柱的連接完全通過斗栱完成,各種構(gòu)件則通過榫卯連接,全塔的主要構(gòu)件不用一釘一鉚,這種連接形式類似于半固結(jié)半活鉸的狀態(tài),能承受較大的彎矩;構(gòu)架水平分層,地震波中的垂直沖擊波攻擊下,可以通過“彈跳”方式消解巨大的破壞能量;構(gòu)架的整體性有力地抵抗旋轉(zhuǎn)波,所有的柱子都用頂部的梁枋連結(jié)成一個筒形的框架,保證了構(gòu)架的穩(wěn)定性;柱子之間砌筑有厚實的墻體,牢牢地“抱”住各柱子,增加了構(gòu)架的整體性,而且這些墻體能作為剪力墻發(fā)揮作用;立柱側(cè)腳、平面逐層縮小,有效地降低了塔的重心,并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜,增強了塔的穩(wěn)定性,這樣既使塔身形成美麗的曲線,又能把水平的地震沖擊力分解成垂直方向的壓力;周邊有一圈柱廊,各圈柱廊被水平構(gòu)件連接成一個剛中帶柔的整體;為了加固結(jié)構(gòu)框架,八邊形木塔的四個斜向應面上,自上而下采用了剪刀撐做法。